JPWO2014007004A1 - 固体撮像装置及び固体撮像装置の駆動方法、並びに、電子機器 - Google Patents

固体撮像装置及び固体撮像装置の駆動方法、並びに、電子機器 Download PDF

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Abstract

本開示の固体撮像装置は、画素アレイ部の各画素から信号線に読み出されるアナログ画素信号をデジタル化するAD変換器を含み、デジタル化した画素データをフレームレートよりも速い第1速度で転送する信号処理部と、信号処理部から転送される画素データを保持するメモリ部と、メモリ部から第1速度よりも遅い第2速度で画素データを読み出すデータ処理部と、メモリ部から画素データを読み出す際に、信号線に接続されている電流源の動作及び信号処理部の少なくともAD変換器の動作を停止する制御を行う制御部とを備える。

Description

本開示は、固体撮像装置及び固体撮像装置の駆動方法、並びに、電子機器に関する。
近年、固体撮像装置、特に、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサは、低消費電力、高速性の優位性を活かし、携帯電話機、デジタルスチルカメラ、一眼レフカメラ、カムコーダ、監視用カメラ等の電子機器に広く搭載されるようになってきている。また、最近では、画像処理などの機能回路ブロックについても、画素アレイ部(画素部)と一緒にオンチップ化した、高性能、高画質のイメージセンサも登場し始めている。
従来、CMOSイメージセンサにおける、画素アレイ部の各画素からの信号の読み出し方法として、画素から読み出したアナログ画素信号をデジタル化する信号処理部の後段に不揮発メモリを設け、当該不揮発メモリを用いて高速読み出しを実現する技術がある(例えば、特許文献1参照)。
特開2004−64410号公報
上記の従来技術では、不揮発メモリに画素データを保存した後、不揮発メモリから画素データを出力する(読み出す)データ出力部を、不揮発メモリへの画素データの転送速度よりも遅い低速動作させることによって低消費電力化を図っている。しかし、当該従来技術では、データ出力部の低速動作のみによって低消費電力化を図っているために消費電力の低減効果は小さい。
そこで、本開示は、画素データの読み出しをより低消費電力にて高速に実現可能な固体撮像装置及び固体撮像装置の駆動方法、並びに、当該固体撮像装置を有する電子機器を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するための本開示の固体撮像装置は、
画素アレイ部の各画素から信号線に読み出されるアナログ画素信号をデジタル化するAD変換器を含み、デジタル化した画素データをフレームレートよりも速い第1速度で転送する信号処理部と、
信号処理部から転送される画素データを保持するメモリ部と、
メモリ部から第1速度よりも遅い第2速度で画素データを読み出すデータ処理部と、
メモリ部から画素データを読み出す際に、信号線に接続されている電流源の動作及び信号処理部の少なくともAD変換器の動作を停止する制御を行う制御部とを備える固体撮像装置である。
また、上記の目的を達成するための本開示の固体撮像装置の駆動方法は、
画素アレイ部の各画素から信号線に読み出される画素信号をデジタル化するAD変換器を含み、デジタル化した画素データをフレームレートよりも速い第1速度で転送する信号処理部と、
信号処理部から転送される画素データを保持するメモリ部と、
メモリ部から第1速度よりも遅い第2速度で画素データを読み出すデータ処理部とを備える固体撮像装置の駆動に当たって、
メモリ部から画素データを読み出す際に、信号線に接続されている電流源の動作及び信号処理部の少なくともAD変換器の動作を停止する駆動を行う固体撮像装置の駆動方法である。
信号処理部からフレームレートよりも速い第1速度で画素データをメモリ部へ転送(所謂、高速転送)することで、フレームレートよりも速い高速読み出しを実現できる。また、メモリ部から第1速度よりも遅い第2速度での画素データの読み出し(所謂、低速読み出し)を行うことで、動作速度が遅くなった分だけ低消費電力化を実現できる。加えて、メモリ部からの画素データの読み出しの際に、電流源の動作及び信号処理部の少なくともAD変換器の動作を停止する、所謂、間欠駆動を行うことで、その停止期間で電流源及びAD変換器が本来消費する分だけ電力を削減できるため、更なる低消費電力化を図ることができる。
本開示によれば、メモリ部を用い、当該メモリ部に対する高速転送、及び、間欠駆動による低速読み出しを行うことで、画素データの高速読み出しをより低消費電力にて実現できる。
図1は、本開示の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示す概略斜視図である。 図2は、第1実施形態に係る固体撮像装置における第1チップ側の回路及び第2チップ側の回路の具体的な構成を示す回路図である。 図3は、第1実施形態に係る固体撮像装置における信号処理部の具体的な構成の一例を示すブロック図である。 図4は、第1実施形態に係る固体撮像装置の回路動作を説明するためのタイミングチャートである。 図5は、電流源の動作を停止する際に、信号線と電流源との間の電流パスを遮断(カット)するための回路構成の一例を示す回路図である。 図6は、データラッチ部からメモリ部へデータを保存し、メモリ部からデータを出力する動作について説明するためのブロック図である。 図7は、第1実施形態に係る固体撮像装置における信号処理部の具体的な構成の他の例を示すブロック図である。 図8は、AD変換器及びそれに伴う回路部分を2系統設ける構成を採る場合の積層チップのレイアウト例を示すレイアウト図である。 図9は、AD変換器及びそれに伴う回路部分を4系統設ける構成を採る場合の積層チップのレイアウト例1を示すレイアウト図である。 図10は、AD変換器及びそれに伴う回路部分を4系統設ける構成を採る場合の積層チップのレイアウト例2を示すレイアウト図である。 図11は、第2実施形態に係る固体撮像装置における第1チップ側の回路の具体的な構成を示す回路図である。 図12は、第2実施形態に係る固体撮像装置における第2チップ側の回路の具体的な構成を示す回路図である。 図13は、第2実施形態に係る固体撮像装置の回路動作を説明するためのタイミングチャートである。 図14は、第2実施形態に係る固体撮像装置における積層チップのレイアウト例を示すレイアウト図である。 図15は、第3実施形態に係る固体撮像装置における第1チップ側の回路の具体的な構成を示す回路図である。 図16は、第3実施形態に係る固体撮像装置における第2チップ側の回路の具体的な構成を示す回路図である。 図17は、第3実施形態に係る固体撮像装置における積層チップのレイアウトの一例を示すレイアウト図である。 図18は、第3実施形態に係る固体撮像装置における積層チップのレイアウトの別の例を示すレイアウト図である。 図19は、本開示の電子機器の一例である撮像装置の構成例を示すブロック図である。
以下、本開示の技術を実施するための形態(以下、「実施形態」と記述する)について図面を用いて詳細に説明する。本開示は実施形態に限定されるものではなく、実施形態における種々の数値などは例示である。以下の説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。尚、説明は以下の順序で行う。
1.本開示の固体撮像装置及び固体撮像装置の駆動方法、並びに、電子機器、全般に関する説明
2.第1実施形態に係る固体撮像装置(列並列AD変換方式の例)
2−1.システム構成
2−2.回路構成
2−3.回路動作
2−4.積層チップのレイアウト
2−5.第1実施形態の作用、効果
3.第2実施形態に係る固体撮像装置(画素並列AD変換方式の例)
3−1.システム構成
3−2.回路構成
3−3.回路動作
3−4.積層チップのレイアウト
3−5.第2実施形態の作用、効果
4.第3実施形態に係る固体撮像装置(画素並列AD変換方式の別の例)
4−1.システム構成
4−2.回路構成
4−3.回路動作
4−4.積層チップのレイアウト
4−5.第2実施形態の作用、効果
5.他の構成例
6.電子機器(撮像装置の例)
7.本開示の構成
<1.本開示の固体撮像装置及び固体撮像装置の駆動方法、並びに、電子機器、全般に関する説明>
本開示の固体撮像装置は、画素アレイ部に加えて、信号処理部、メモリ部、データ処理部、及び、制御部を備える構成となっている。画素アレイ部は、光電変換素子を含む単位画素(以下、単に「画素」と記述する場合もある)が行列状(マトリクス状)に2次元配置されて成る。すなわち、本開示の固体撮像装置は、画素の信号を、1つの画素単位、複数の画素単位、または、1つあるいは複数の行(ライン)単位で読み出すことが可能なX−Yアドレス型の固体撮像装置である。X−Yアドレス型の固体撮像装置の代表的なものとして、CMOSイメージセンサを例示することができる。
この画素アレイ部において、行列状の画素配列に対して画素行毎に制御線(行制御線)が配線され、画素列毎に信号線(列信号線/垂直信号線)が配線されている。信号線の各々には電流源が接続された構成とすることができる。そして、この信号線に対して、画素アレイ部の各画素から信号(アナログ画素信号)が読み出される。この読み出しについては、例えば、1画素または1ライン(1行)を単位として露光を行うローリングシャッタの下で行う構成とすることができる。このローリングシャッタ下での読み出しを、ローリング読み出しと呼ぶ場合がある。
信号処理部については、画素アレイ部の各画素から信号線に読み出されるアナログ画素信号をデジタル化するAD(アナログ−デジタル)変換器を含んでおり、AD変換した画像データを、フレームレート(1秒間当たりに撮像できる画像数)よりも速い速度(第1速度)でメモリ部へ転送する構成とすることができる。このように、フレームレートよりも速い第1速度でメモリ部へ画素データを転送(高速転送)することで、フレームレートよりも速い高速読み出しを実現できる。
メモリ部については、特に限定するものではない。メモリ部としては、不揮発性メモリであってもよいし、揮発性メモリであってもよい。データ処理部については、メモリ部から画素データを第1速度、即ち、信号処理部の転送速度よりも遅い速度(第2速度)で読み出す構成とすることができる。このように、第1速度よりも遅い速度で画素データの読み出し(低速読み出し)を行うことで、動作速度が遅くなった分だけ低消費電力化を実現できる。
更に、制御部による制御の下に、メモリ部から画素データを読み出す際に、信号線の各々に接続されている電流源の動作及び信号処理部の少なくともAD変換器の動作を停止しながら画素データを読み出す間欠駆動を行う構成とすることができる。このように、電流源の動作及びAD変換器の動作をメモリ部から画素データを読み出す際に停止する間欠駆動を行うことで、その停止期間で電流源及びAD変換器が本来消費する分だけ電力を削減できるため、更なる低消費電力化を図ることができる。
以上により、画素データの高速読み出しをより低消費電力にて行うことが可能な固体撮像装置を実現できる。かかる固体撮像装置、即ち、本開示の固体撮像装置は、携帯電話機等の撮像機能を備える携帯端末機器、デジタルスチルカメラ、一眼レフカメラ、カムコーダ、あるいは、監視用カメラ等の電子機器において、その撮像部(画像取込部)として用いることができる。
上述した好ましい構成を含む本開示の固体撮像装置及びその駆動方法、並びに、電子機器にあっては、メモリ部から画素データを読み出す際に、電流源の動作及びAD変換器の動作を停止するに当たって、垂直同期信号の単位で停止する形態とすることができる。「垂直同期信号の単位で停止」ということは、「垂直同期信号に同期して停止」ということでもある。
また、上述した好ましい構成を含む本開示の固体撮像装置及びその駆動方法、並びに、電子機器にあっては、信号処理部、メモリ部、データ処理部、及び、制御部を、画素アレイ部が形成されたチップと異なる少なくとも1つのチップに形成し、画素アレイ部が形成されたチップと他の少なくとも1つのチップとを積層した構造(所謂、積層構造)とすることができる。このとき、制御部については、画素アレイ部が形成されたチップ側の回路と、他の少なくとも1つのチップ側の回路とを同期をとりつつ制御する構成とすることができる。
上述した好ましい構成を含む本開示の固体撮像装置及びその駆動方法、並びに、電子機器にあっては、信号処理部について、画素アレイ部の各画素から画素行毎に読み出されるアナログ画素信号に対して、画素列の単位で並列(列並列)に信号処理を行う構成とすることができる。
また、信号処理部について、データラッチ部及びパラレル−シリアル変換部を有し、AD変換器でデジタル化された画素データをメモリ部にパイプライン転送する構成とすることができる。このとき、1水平期間内にAD変換器によるデジタル化処理を行い、デジタル化した画素データを次の1水平期間内にデータラッチ部へ転送するようにするのが好ましい。ここで、データラッチ部は、AD変換器でデジタル化された画素データをラッチする。また、パラレル−シリアル変換部は、データラッチ部から出力される画素データをパラレルデータからシリアルデータに変換する。
あるいは又、信号処理部について、データラッチ部、データ圧縮部、及び、パラレル−シリアル変換部を有し、AD変換器でデジタル化された画素データをメモリ部にパイプライン転送する構成とすることができる。このとき、1水平期間内にAD変換器によるデジタル化処理を行い、デジタル化した画素データを次の1水平期間内にデータラッチ部へ転送するようにするのが好ましい。ここで、データ圧縮部は、データラッチ部から出力される画素データを圧縮する。また、パラレル−シリアル変換部は、データ圧縮部から出力される画素データをパラレルデータからシリアルデータに変換する。
また、上述した好ましい構成を含む本開示の固体撮像装置及びその駆動方法、並びに、電子機器にあっては、信号処理部について、AD変換器を2つ以上有し、これら2つ以上のAD変換器において並列的にデジタル化の信号処理を行う構成とすることができる。このとき、2つ以上のAD変換器については、画素アレイ部の信号線の伸長方向の両側に分けて配置するのが好ましい。
また、上述した好ましい構成を含む本開示の固体撮像装置及びその駆動方法、並びに、電子機器にあっては、信号線に接続されている電流源、信号処理部、及び、メモリ部について、所定数の画素を単位とし、当該単位毎に設ける構成とすることができる。このとき、信号処理部について、画素アレイ部の各画素から所定数の画素の単位毎に読み出される画素信号に対して、当該単位で並列(画素並列)に信号処理を行う、好ましくは、当該単位内の複数の画素について所定の順番で信号処理を行うようにする形態とすることができる。
また、上述した好ましい構成を含む本開示の本開示の固体撮像装置及びその駆動方法、並びに、電子機器にあっては、データ処理部については、メモリ部に対して列アドレスを指定するデコーダと、指定したアドレスの画素データを読み出すセンスアンプとを有する構成とすることができる。その際、センスアンプ及びデコーダを通してメモリ部から画素データを読み出すようにすることができる。
また、上述した好ましい構成を含む本開示の本開示の固体撮像装置及びその駆動方法、並びに、電子機器にあっては、データ処理部について、露光期間中にメモリ部から画素データを読み出す構成とすることができる。
また、上述した好ましい構成を含む本開示の固体撮像装置及びその駆動方法、並びに、電子機器にあっては、制御部について、信号線に接続されている電流源を垂直同期信号の単位で停止する際に、信号線と電流源との電流パスをカットする構成とすることができる。このとき、好ましくは、信号線に固定電位を与えるようにするとよい。
<2.第1実施形態に係る固体撮像装置>
図1は、本開示の第1実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示す概略斜視図である。ここでは、第1実施形態に係る固体撮像装置として、CMOSイメージセンサの場合を例に挙げて説明する。但し、CMOSイメージセンサへの適用に限られるものではない。
[2−1.システム構成]
図1に示すように、第1実施形態に係る固体撮像装置10Aは、第1チップ(半導体基板)20と第2チップ30とを有し、第1チップ20が上側のチップとし、第2チップ30が下側のチップとして積層された構造(所謂、積層構造)となっている。
この積層構造において、上側の第1チップ20は、光電変換素子を含む単位画素40が行列状に2次元配置されて成る画素アレイ部(画素部)21が形成された画素チップとなっている。第1チップ20の周縁部には、外部との電気的接続を行うためのパッド部221及びパッド部222や、第2チップ30との間での電気的接続を行うためのビア(VIA)231及びビア232が設けられている。
ここでは、画素アレイ部21を挟んで左右両側にパッド部221及びパッド部222を設ける構成としたが、左右の一方側に設ける構成を採ることも可能である。また、画素アレイ部21を挟んで上下両側にビア231及びビア232を設ける構成としたが、上下の一方側に設ける構成を採ることも可能である。また、下側の第2チップ30にパッド部を設けて第1チップ20を開口し、第2チップ30側のパッドへボンディングする構成や、第2チップ30からTSV(Through silicon via)により基板実装する構成を採ることも可能である。
尚、画素アレイ部21の各画素40から得られる画素信号はアナログ信号であり、このアナログの画素信号は、第1チップ20から第2チップ30へビア231,232を通して伝送されることになる。
下側の第2チップ30は、第1チップ20上に形成された画素アレイ部21の各画素40を駆動する駆動部(図示せず)の他、信号処理部31、メモリ部32、データ処理部33、及び、制御部34などの周辺回路部が形成された回路チップとなっている。
信号処理部31は、画素アレイ部21の各画素40から読み出されるアナログ画素信号に対して、デジタル化(AD変換)を含む所定の信号処理を行う。メモリ部32は、信号処理部31で所定の信号処理が施された画素データを格納する。データ処理部33は、メモリ32に格納された画素データを所定の順番に読み出し、チップ外に出力する処理を行う。
制御部34は、例えばチップ外から与えられる水平同期信号XHS、垂直同期信号XVS、及び、マスタークロックMCK等の基準信号に基づいて、上記の駆動部や、信号処理部31、メモリ部32、及び、データ処理部33の周辺回路部の各動作の制御を行う。このとき、制御部34は、第1チップ20側の回路(画素アレイ部21)と、第2チップ30側の回路(信号処理部31、メモリ部32、及び、データ処理部33)とを同期をとりつつ制御することになる。
上述したように、第1チップ20と第2チップ30とが積層されて成る固体撮像装置10Aは、第1チップ20として画素アレイ部31を形成できるだけの大きさ(面積)のもので済むために、第1チップ20のサイズ(面積)、ひいては、チップ全体のサイズを小さくできる。更に、第1チップ20には画素40の作成に適したプロセスを、第2チップ30には回路の作成に適したプロセスをそれぞれ適用できるため、固体撮像装置10Aの製造に当たって、プロセスの最適化を図ることができるメリットもある。
また、第1チップ20側からアナログの画素信号を第2チップ30側へ伝送する一方、アナログ・デジタル処理を行う回路部分を同一基板(第2チップ30)内に構成し、第1チップ20側の回路と第2チップ30側の回路とを同期をとりつつ制御する構成により、高速処理を実現することができる。因みに、別チップ間で画素信号をデジタルデータとして伝送する構成を採る場合には、寄生容量などの影響によるクロック遅延が発生し、高速処理の妨げとなる。
[2−2.回路構成]
図2は、第1実施形態に係る固体撮像装置10Aにおける第1チップ20側の回路及び第2チップ30側の回路の具体的な構成を示す回路図である。先述したように、第1チップ20側の回路と、第2チップ30側の回路との電気的な接続は、図1に示すビア(VIA)231,232を介して行われることになる。
(第1チップ側の回路構成)
先ず、第1チップ20側の回路構成について図2を用いて説明する。第1チップ20側には、単位画素20が行列状に配置されて成る画素アレイ部21の他に、第2チップ30側から与えられるアドレス信号を基に、画素アレイ部21の各画素40を行単位で選択する行選択部25が設けられている。尚、ここでは、行選択部25を第1チップ20側に設ける構成を採るとしたが、第2チップ30側に設ける構成を採ることも可能である。
図2に示すように、単位画素40は、光電変換素子として例えばフォトダイオード41を有している。単位画素40は、フォトダイオード41に加えて、例えば、転送トランジスタ(転送ゲート)42、リセットトランジスタ43、増幅トランジスタ44、及び、選択トランジスタ45の4つのトランジスタを有している。
ここでは、4つのトランジスタ42〜45として、例えばNチャネルのトランジスタを用いている。但し、ここで例示した転送トランジスタ42、リセットトランジスタ43、増幅トランジスタ44、及び、選択トランジスタ45の導電型の組み合わせは一例に過ぎず、これらの組み合わせに限られるものではない。すなわち、必要に応じて、Pチャネルのトランジスタを用いる組み合わせとすることができる。
この単位画素40に対して、当該画素40を駆動する駆動信号である転送信号TRG、リセット信号RST、及び、選択信号SELが行選択部25から適宜与えられる。すなわち、転送信号TRGが転送トランジスタ42のゲート電極に、リセット信号RSTがリセットトランジスタ43のゲート電極に、選択信号SELが選択トランジスタ45のゲート電極にそれぞれ印加される。
フォトダイオード41は、アノード電極が低電位側電源(例えば、グランド)に接続されており、受光した光(入射光)をその光量に応じた電荷量の光電荷(ここでは、光電子)に光電変換してその光電荷を蓄積する。フォトダイオード41のカソード電極は、転送トランジスタ42を介して増幅トランジスタ44のゲート電極と電気的に接続されている。増幅トランジスタ44のゲート電極と電気的に繋がったノード46をFD(フローティングディフュージョン/浮遊拡散領域)部と呼ぶ。
転送トランジスタ42は、フォトダイオード41のカソード電極とFD部46との間に接続されている。転送トランジスタ42のゲート電極には、高レベル(例えば、VDDレベル)がアクティブ(以下、「Highアクティブ」と記述する)の転送信号TRGが行選択部25から与えられる。この転送信号TRGに応答して、転送トランジスタ42が導通状態となり、フォトダイオード41で光電変換された光電荷をFD部46に転送する。
リセットトランジスタ43は、ドレイン電極が画素電源VDDに、ソース電極がFD部46にそれぞれ接続されている。リセットトランジスタ43のゲート電極には、Highアクティブのリセット信号RSTが行選択部25から与えられる。このリセット信号RSTに応答して、リセットトランジスタ43が導通状態となり、FD部46の電荷を画素電源VDDに捨てることによって当該FD部46をリセットする。
増幅トランジスタ44は、ゲート電極がFD部46に、ドレイン電極が画素電源VDDにそれぞれ接続されている。そして、増幅トランジスタ44は、リセットトランジスタ43によってリセットされた後のFD部46の電位をリセット信号(リセットレベル)Vresetとして出力する。増幅トランジスタ44はさらに、転送トランジスタ42によって信号電荷が転送された後のFD部46の電位を光蓄積信号(信号レベル)Vsigとして出力する。
選択トランジスタ45は、例えば、ドレイン電極が増幅トランジスタ44のソース電極に、ソース電極が信号線26にそれぞれ接続されている。選択トランジスタ45のゲート電極には、Highアクティブの選択信号SELが行選択部25から与えられる。この選択信号SELに応答して、選択トランジスタ45が導通状態となり、単位画素40を選択状態として増幅トランジスタ44から出力される信号を信号線26に読み出す。
上述したことから明らかなように、単位画素40からは、リセット後のFD部46の電位がリセットレベルVresetとして、次いで、信号電荷の転送後のFD部46の電位が信号レベルVsigとして順に信号線26に読み出されることになる。因みに、信号レベルVsigには、リセットレベルVresetの成分も含まれる。
尚、ここでは、選択トランジスタ45について、増幅トランジスタ44のソース電極と信号線26との間に接続する回路構成としたが、画素電源VDDと増幅トランジスタ44のドレイン電極との間に接続する回路構成を採ることも可能である。
また、単位画素40としては、上記の4つのトランジスタから成る画素構成のものに限られるものではない。例えば、増幅トランジスタ44に選択トランジスタ45の機能を持たせた3つのトランジスタから成る画素構成や、複数の光電変換素子間(画素間)で、FD部46以降のトランジスタを共用する画素構成などであっても良く、その画素回路の構成は問わない。
(第2チップ側の回路構成)
次に、第2チップ30側の回路構成について図2を用いて説明する。第2チップ30側には、先述した信号処理部31、メモリ部32、データ処理部33、及び、制御部34の他に、電流源35、デコーダ36、行デコーダ37、及び、インターフェース(IF)部38などが設けられている。
電流源35は、画素アレイ部21の各画素40から画素列毎に信号が読み出される信号線26の各々に接続されている。電流源35は、例えば、信号線26にある一定の電流を供給するように、ゲート電位が一定電位にバイアスされたMOSトランジスタから成る、所謂、負荷MOS回路の構成となっている。この負荷MOS回路から成る電流源35は、選択行の単位画素40の増幅トランジスタ44に定電流を供給することにより、当該増幅トランジスタ44をソースフォロアとして動作させる。
デコーダ36は、制御部34による制御の下に、画素アレイ部31の各画素40を行単位で選択する際に、その選択行のアドレスを指定するアドレス信号を行選択部25に対して与える。行デコーダ37は、制御部34による制御の下に、メモリ部32に画素データを書き込んだり、メモリ部32から画素データを読み出したりする際の行アドレスを指定する。
信号処理部31は、少なくとも、画素アレイ部21の各画素40から信号線26を通して読み出されるアナログ画素信号をデジタル化(AD変換)するAD変換器51を有し、当該アナログ画素信号に対して画素列の単位で並列に信号処理(列並列AD)を行う構成となっている。
信号処理部31は更に、AD変換器51でのAD変換の際に用いる参照電圧を生成する参照電圧生成部52を有する。参照電圧生成部52は、時間が経過するにつれて電圧値が階段状に変化する、所謂、ランプ(RAMP)波形(傾斜状の波形)の参照電圧を生成する。参照電圧生成部52については、例えば、DAC(デジタル−アナログ変換)回路を用いて構成することができる。
AD変換器51は、例えば、画素アレイ部21の画素列毎に、即ち、信号線26毎に設けられている。すなわち、AD変換器51は、画素アレイ部21の画素列の数だけ配置されて成る、所謂、列並列AD変換器となっている。そして、AD変換器51は、例えば、画素信号のレベルの大きさに対応した時間軸方向に大きさ(パルス幅)を持つパルス信号を生成し、当該パルス信号のパルス幅の期間の長さを計測することによってAD変換の処理を行う。
より具体的には、図2に示すように、AD変換器51は、比較器(COMP)511及びカウンタ512を少なくとも有する構成となっている。比較器511は、画素アレイ部21の各画素40から信号線26を通して読み出されるアナログ画素信号(先述した信号レベルVsig及びリセットレベルVreset)を比較入力とし、参照電圧生成部52から供給されるランプ波の参照電圧Vrefを基準入力とし、両入力を比較する。
そして、比較器511は、例えば、参照電圧Vrefが画素信号よりも大なるときに出力が第1の状態(例えば、高レベル)になり、参照電圧Vrefが画素信号以下のときに出力が第2の状態(例えば、低レベル)になる。この比較器511の出力信号が、画素信号のレベルの大きさに対応したパルス幅を持つパルス信号となる。
カウンタ512として、例えば、アップ/ダウンカウンタが用いられる。カウンタ512には、比較器511に対する参照電圧Vrefの供給開始タイミングと同じタイミングでクロックCKが与えられる。アップ/ダウンカウンタであるカウンタ512は、クロックCKに同期してダウン(DOWN)カウント、または、アップ(UP)カウントを行うことで、比較器511の出力パルスのパルス幅の期間、即ち、比較動作の開始から比較動作の終了までの比較期間を計測する。この計測動作の際、カウンタ512は、単位画素40から順に読み出されるリセットレベルVreset及び信号レベルVsigについて、リセットレベルVresetに対してはダウンカウントを行い、信号レベルVsigに対してはアップカウントを行う。
このダウンカウント/アップカウントの動作により、信号レベルVsigとリセットレベルVresetとの差分をとることができる。その結果、AD変換器51では、AD変換処理に加えてCDS(Correlated Double Sampling;相関二重サンプリング)処理が行われる。ここで、「CDS処理」とは、信号レベルVsigとリセットレベルVresetとの差分をとることにより、単位画素40のリセットノイズや増幅トランジスタ44の閾値ばらつき等の画素固有の固定パターンノイズを除去する処理である。そして、カウンタ512のカウント結果(カウント値)が、アナログ画素信号をデジタル化したデジタル値となる。
(信号処理部の構成の一例)
図3は、第1実施形態に係る固体撮像装置10Aにおける信号処理部31の具体的な構成の一例を示すブロック図である。
本例に係る信号処理部31は、AD変換器51の他に、データラッチ部53及びパラレル−シリアル(以下、「パラシリ」と略称する)変換部54を有し、AD変換器51でデジタル化された画素データをメモリ部32にパイプライン転送するパイプライン構成となっている。その際、信号処理部31は、1水平期間内にAD変換器51によるデジタル化処理を行い、デジタル化した画素データを次の1水平期間内にデータラッチ部53へ転送する処理を行う。
一方、メモリ部32には、その周辺回路として列デコーダ/センスアンプ39が設けられている。先述した行デコーダ37(図2参照)がメモリ部32に対して行アドレスを指定するのに対し、列デコーダは、メモリ部32に対して列アドレスを指定する。また、センスアンプは、メモリ部32からビット線を通して読み出される微弱な電圧を、デジタルレベルとして取り扱いが可能になるレベルにまで増幅する。そして、列デコーダ/センスアンプ39を通して読み出された画素データは、データ処理部33及びインターフェース部38を介して第2チップ30の外部へ出力される。
尚、ここでは、列並列のAD変換器51が1つの場合を例に挙げたが、これに限られるものではなく、AD変換器51を2つ以上設け、これら2つ以上のAD変換器51において並列的にデジタル化処理を行う構成を採ることも可能である。
この場合、2つ以上のAD変換器51は、画素アレイ部21の信号線26の伸長方向、即ち、画素アレイ部21の上下両側に分けて配置されることになる。AD変換器51を2つ以上設ける場合は、これに対応してデータラッチ部53、パラシリ変換部54、及び、メモリ部32なども2つ(2系統)以上設けることになる。
このように、AD変換器51などを例えば2系統設ける構成を採る固体撮像装置にあっては、行走査を2つの画素行を単位として行う。そして、一方の画素行の各画素の信号については画素アレイ部21の上下方向の一方側に、他方の画素行の各画素の信号については画素アレイ部21の上下方向の他方側にそれぞれ読み出し、2つのAD変換器51で並列的にデジタル化処理を行うことになる。以降の信号処理についても並列的に行う。その結果、1つの画素行を単位として行走査を行う場合に比べて、画素データの高速読み出しを実現できる。
[2−3.回路動作]
次に、上記の構成の第1実施形態に係る固体撮像装置10Aの回路動作について、図4のタイミングチャートを用いて説明する。
(高速読み出し)
先ず、第1チップ20側の画素アレイ部21の各画素40から画素信号が、ローリングシャッタの下で行われるローリング読み出しによって、フレームレートよりも速い読み出し速度、例えば240[fps]の読み出し速度にて高速に読み出される。ローリング読み出しによって読み出されたアナログ画素信号は、第1チップ20からビア(VIA)231,232を通して第2チップ30側の信号処理部31に伝送される。
次に、信号処理部31において、AD変換器51によってアナログ画素信号のデジタル化が行われる。そして、AD変換器51でデジタル化された画素データはメモリ部32にパイプライン転送され、当該メモリ部32に保存される。このとき、信号処理部31では、1水平期間内にAD変換器51によるデジタル化処理が行われ、次の1水平期間内にメモリ部32へのパイプライン転送が行われる。
このデジタル化処理後の画素データをメモリ部32へ転送する速度は、ローリング読み出しによる読み出し速度、即ち、240[fps]である。従って、信号処理部31は、AD変換器51でデジタル化した画素データを、フレームレートよりも速い速度(第1速度)でメモリ部32へ転送することになる。
ところで、ローリングシャッタの下で行われるローリング読み出しでは、周知の通り、1画面中で露光タイミングが画素毎またはライン(行)毎に異なるため歪(以下、「ローリング歪」と呼ぶ場合もある)が発生する。
これに対して、本実施形態では、単位画素40の各々からフレームレートよりも速い高速読み出しにて画素信号を読み出し、かつ、デジタル化した画素データをフレームレートよりも速い第1速度にてメモリ部32に高速転送して保存するようにしている。このように、画素データを一旦メモリ部32に保存することにより、画素データの同時化を図ることができるため、ローリング歪の発生を防止することができる。
メモリ部32に保存された画素データは、列デコーダ/センスアンプ39を介して、データ処理部33によって第1速度よりも遅い第2速度、例えば80[fps]の読み出し速度にて読み出され、インターフェース部38を介して第2チップ30外へ出力される。このように、メモリ部32から第1速度よりも遅い第2速度での画素データの読み出し(所謂、低速読み出し)を行うことにより、動作速度が遅くなった分だけ低消費電力化を図ることができる。
図4のタイミングチャートから明らかなように、メモリ部32からの画素データの読み出しは、露光期間中に行われる。因みに、特許文献1に記載の従来技術では、画素データをメモリ部に保存した後にスタンバイ状態に入り、その後に撮影を開始する構成を採っているため、リアルタイムな画像撮影ができない。これに対して、本実施形態では、メモリ部32からの画素データの読み出しを露光期間中に行う構成を採っているため、リアルタイムに動画、静止画の画素データを読み出すことが可能である。
また、メモリ部32として、不揮発性、揮発性を問わず種々のタイプのメモリを用いることができる。例えば、メモリ部32への画素データの書き込み開始から、データ処理部33による画素データの読み出し完了までを20[fps]以上の速度で行うことで、揮発性メモリ(例えば、DRAM)が50[msec]程度を必要とするリフレッシュ動作を不要とすることも可能である。
一方、現在のCMOSイメージセンサでは、AD変換とデータ出力を数[μsec]程度のパイプライン転送で行っている。DRAMの書き込み速度は同等以下、即ち、数[μsec]以下である。従って、図3に示すようなパイプライン構成で、画素信号の読み出しからメモリ部32の画素データの書き込みまでを行うことができる。
具体的には、1水平期間(XHS)内にAD変換器51でのデジタル化処理を実施し、そのデジタルデータを次の1水平期間内にデータラッチ部53へ転送し、当該データラッチ部53に保存する。その後、パラシリ変換部54でパラレル信号からシリアル信号に変換し、行デコーダ37による行アドレスの指定及び列デコーダ/センスアンプ39の列デコーダによる列アドレスの指定の下にメモリ部32に画素データを書き込む。つまり、画素データを並列にAD変換器51でAD変換し、データラッチ部53にラッチした後、並列にメモリ部32に書き込むことによってパイプライン転送を実現する。尚、1水平期間内にデータラッチ部53からメモリ部32に書き込み可能なパイプライン転送する構成以外に、データラッチ部53で保存し、次の1水平期間でメモリ書き込みと次行のデジタルデータをデータラッチ部53に保存するパイプライン転送の手法も採ることができる。
(フレーム期間中のスタンバイ)
本実施形態では、より低消費電力化を目的として、メモリ部32から画素データを読み出す際に、信号線26の各々に接続されている電流源35の動作及び信号処理部31の少なくともAD変換器51の動作を、例えば垂直同期信号XVSの単位で停止する構成を採っている。ここで、「メモリ部32から画素データを読み出す際」とは、パイプライン転送にて高速に画素データをメモリ部32に保存した後ということもできるし、露光期間中ということもできる。
因みに、低消費電力化を目的として、撮影(露光)期間中にAD変換器を含むアナログフロントエンド回路の電源を断ち下げてスタンバイ状態にする従来技術がある(例えば、特開2006−81048号公報参照)。当該従来技術では、画素信号の読み出し終了から露光開始までスタンバイ状態にする構成を採っているため、高速駆動ができず、また、露光時間によって停止期間が変動してしまい、電源変動の抑制や低消費電力化の効果としても限定的である。
これに対して、本実施形態では、図4のタイミングチャートに示すように、例えば、240[fps]を1垂直期間(垂直同期信号XVS相互間の期間)とし、4垂直期間で1フレーム(1V=1/60[sec])でのセンサ動作として動作させる。そして、画素信号の読み出し後の3垂直期間に、画素信号の読み出しの際に用いる電流源35の動作及び少なくともAD変換器51の動作を停止する。
このように、露光期間に依存せず、垂直同期信号XVSに同期しながら(垂直同期信号XVSの単位で)回路動作の停止を行うことで電源設計が容易になる。電流源35の動作及び信号処理部31の少なくともAD変換器51の動作の停止は、制御部34による制御の下に実行される。
本実施形態では、240[fps]の高速ローリング読み出し後に単位画素40をリセット(シャッタ動作)することで露光を開始する。露光期間中は電流源35及びAD変換器51の各動作を停止することは可能である。従って、電流源35及びAD変換器51の各動作を、現フレームのメモリ部32からの画素データの読み出し開始から次フレームの単位画素40からの画素信号の読み出し開始までの期間停止することで、その停止期間で電流源35及びAD変換器51が本来消費する分だけ消費電力を削減できる。
電流源35の動作の停止は、制御部34による制御の下に、信号線26と電流源35との間の電流パスを遮断(カット)することによって実行することができる。具体的には、例えば図5に示すように、信号線26と電流源35との間にトランジスタQ1を挿入し、当該トランジスタQ1を低レベルの制御信号によって非導通状態にすることにより、電流源35の動作を停止することができる。
ここで、電流源35の動作を停止する際に、信号線26と電流源35との間の電流パスを遮断するだけでなく、信号線26に固定電位を与えるようにするとよい。具体的には、例えば図5に示すように、信号線26と固定電位との間にトランジスタQ2を接続し、当該トランジスタQ2を、インバータINVを経た上記の制御信号の反転制御信号によって導通状態にすることにより、信号線26に固定電位を与えることができる。
このように、電流源35の動作を停止する際に、信号線26に固定電位を与えるのは、信号線26がフローティング状態になることによる単位画素40のFD部46への影響を無くすためである。すなわち、信号線26がフローティング状態になり、例えば信号線26の電位が揺れると、その電位の揺れが増幅トランジスタ44の寄生容量によるカップリングによってFD部46の電位を変動させる場合がある。このようなFD部46への影響を無くすために、信号線26に固定電位を与えるのである。
また、露光時間の設定によっては、シャッタ動作が最初の垂直期間(1XVS)と次の垂直期間(2XVS)に跨る場合がある。このような場合には、電流源35の動作の停止をシャッタ動作後に行うように制御するとよい。このように、電流源35の動作の停止をシャッタ動作後に行うことで、電流源35のスタンバイ動作の影響、即ち、電源電位の揺れや信号線26の電位の揺れを防ぐことができる。尚、シャッタ開始が次の垂直期間(2XVS)以降であれば、電流源35のスタンバイ動作の影響はない。
(メモリ部へのデータ保存及びメモリ部からのデータ出力)
次に、図6を用いてデータラッチ部53からメモリ部32へデータを保存し、メモリ部32からデータを出力する動作について説明する。尚、図6では、AD変換器31、それに伴う回路部分、即ち、データラッチ部53(531,532)やメモリ部32(321,322)などの回路部分を2系統設ける場合を例に挙げている。但し、1系統の場合にも基本的に同じことが言える。
AD変換後の画素データをデータラッチ部53にラッチする。このラッチしたデータについては、パラシリ変換部54によって例えば128本単位で列デコーダに16kbit分をキャッシュする。次に、センスアンプを利用し、メモリ部32にデータを保存する。図6では、メモリ部32について4バンク構成としているが、これは一例に過ぎず、画像データを水平画素単位で保存できるようにバンク数を決めるのがよい。
本実施形態では、ローリング読み出しと並行して各メモリ部のビットにデータ書き込みを行うパイプライン構成をとっているため、データラッチ部53からメモリ部32へのデータ保存を1垂直期間に完了することができる。メモリ部32へのデータの書き込み終了後は前述したように電流源35及びAD変換器51の各動作を停止し、メモリ部32からのデータの読み出しを開始する。
メモリ部32からのデータの読み出しについては、露光期間中の3垂直期間(本例では、80[fps])において、マルチプレクサ55(551,552)及びデータ処理部33によってデータの並び替えや合成を行いながらインターフェース部38より出力する。メモリ部32へのデータの書き込み時は、メモリ部32からデータを出力しないため、インターフェース部38の出力を固定にするなどの手法によって消費電力の削減を図ることができる。具体的には、例えば、インターフェース部38の出力部に与えるクロックを停止することによって低消費電力化を図ることができる。
(信号処理部の構成の他の例)
図7は、第1実施形態に係る固体撮像装置における信号処理部の具体的な構成の他の例を示すブロック図である。
本例に係る信号処理部31は、AD変換器51、データラッチ部53、及び、パラシリ変換部54の他に、データ圧縮部56を有し、AD変換器51でデジタル化された画素データをメモリ部32にパイプライン転送するパイプライン構成となっている。その際、信号処理部31は、1水平期間内にAD変換器51によるデジタル化処理を行い、デジタル化した画素データを次の1水平期間内にデータラッチ部53へ転送する。
データ圧縮部56は、例えば、データラッチ部53とパラシリ変換部54との間に設けられ、データラッチ部53から出力される画素データを圧縮し、パラシリ変換部54に供給する。データ圧縮部56の圧縮方式として、例えば、DPCM(differential pulse-code modulation:差分パルス符号圧縮)を例示することができる。
このように、データラッチ部53とメモリ部32との間にデータ圧縮部56を設け、当該データ圧縮部56でデータ圧縮してからメモリ部32に格納することで、メモリ部32のメモリ容量を低減できる。そして、メモリ部32の容量低減により、信号処理部31が搭載される第2チップ30のレイアウト面積の削減を図ることができる。
[2−4.積層チップのレイアウト]
ここで、先述したように、AD変換器51及びそれに伴う回路部分を複数系統、例えば2系統設けて、2つの画素行の各画素の信号を並列的に信号処理する構成を採る場合の積層チップ、即ち、第1チップ20と第2チップ30とを積層して成るチップのレイアウトについて考える。
AD変換器51及びそれに伴う回路部分を例えば2系統設ける構成を採る場合、2つの画素行の各画素の信号を画素アレイ部21の信号線26の伸長方向の両側、即ち、画素アレイ部21の上下両側に読み出すことになる。
因みに、特許文献1に記載の従来技術のように、画素アレイ部と同一の基板(チップ)上にメモリ部を配置する構成を採る場合、AD変換器等を画素アレイ部の上下に配置するのに伴って、メモリ部についても上下に分割する必要がある。その場合、メモリ部の出力部のレイアウト距離として、(画素アレイ部の上下方向のサイズ+メモリ部の上下方向のサイズ)程度の距離が必要であり、データ出力部のレイアウト配置が別構成となるためチップサイズが大きくなってしまう。また、LVDS(low voltage differential signaling)などのクロック同期方式では、別系統のクロックを持つ必要があり、信号処理チップのチャネル数の増加につながる。
これに対して、本実施形態では、画素アレイ部21が形成された第1チップ20と、AD変換器51を含む信号処理部31、メモリ部32、データ処理部33、及び、制御部34が形成された第2チップ30とを積層して成る積層チップの構成を採っている。これにより、図8に示すように、第2チップ30の上下両側(画素アレイ部21の上下両側とも言える)にAD変換器511,512が配置されるのに伴って、AD変換器511,512間においてメモリ部321,322を隣接して配置することができる。
このように、メモリ部321,322を隣接して配置できることにより、メモリ部321,322のデータ出力部(データ出力経路)をまとめて構成することができる。これにより、データを同一の出力部を通して出力することができ、クロック同期信号が1組でよいため、後段の信号処理チップのチャネル数の増加を防ぐことができる。因みに、制御部34は、メモリ部321とメモリ部322との間などの空き領域に設けられることになる。
上記のレイアウト例では、AD変換器51及びそれに伴う回路部分を2系統設ける構成を採る場合を例に挙げて説明したが、3系統以上設け、画素アレイ部21からの画素信号の並列読み出し度を上げる構成を採る場合にも同様のことが言える。例えば、AD変換器51及びそれに伴う回路部分を4系統設ける構成を採る場合のレイアウト列について以下に説明する。
図9は、AD変換器51及びそれに伴う回路部分を4系統設ける構成を採る場合の積層チップのレイアウト例1を示すレイアウト図である。本レイアウト例1では、画素アレイ部21の上下方向の中央部にもビア(VIA)を2系統設け、4つの画素行の各画素の信号を、画素アレイ部21の上下両側の2系統のビア231,232、及び、中央部の2系統のビア233,234を通して第2チップ30側に同時に読み出すようになっている。
そして、第2チップ30側にあっては、ビア231〜234の各々の近傍に、4つのAD変換器511〜514が配置されている。また、AD変換器511とAD変換器513との間にメモリ部321,323が配置され、AD変換器512とAD変換器514との間にメモリ部322,324が隣接して配置されている。このように、AD変換器51及びそれに伴う回路部分を4系統設ける構成を採る場合にあっても、メモリ部321,323及びメモリ部322,324をそれぞれ隣接して配置できる。その結果、本レイアウト例1にあっても、図8のレイアウト例の場合と同様の作用、効果を得ることができる。
図10は、AD変換器51及びそれに伴う回路部分を4系統設ける構成を採る場合の積層チップのレイアウト例2を示すレイアウト図である。本レイアウト例2では、図8のレイアウト例の場合と同様に、画素アレイ部21の上下両側に2系統のビア231,232が設けられた構成となっている。
第2チップ30側にあっては、一方のビア231の近傍に2つのAD変換器511,513が隣接して配置され、他方のビア232の近傍に2つのAD変換器512,514が隣接して配置されている。そして、AD変換器513とAD変換器514との間に、AD変換器511,513に対応するメモリ部3213とAD変換器512,514に対応するメモリ部3224とが隣接して配置されている。本レイアウト例2の場合にも、メモリ部3213とメモリ部3224とを隣接して配置することができる。その結果、本レイアウト例2にあっても、図8のレイアウト例の場合と同様の作用、効果を得ることができる。
[2−5.第1実施形態の作用、効果]
以上説明した第1実施形態に係る固体撮像装置10Aによれば、次のような作用、効果を得ることができる。すなわち、メモリ部32を搭載し、当該メモリ部32に対する高速転送、及び、メモリ部32からの画素データの読み出しの際に、電流源35及びAD変換器51の動作を停止する間欠駆動による低速読み出しを行うことで、画素データの高速読み出しをより低消費電力にて実現できる。また、信号処理部31において、AD変換器51に限らず、他の回路部分の動作をも停止するようにすることで、更なる低消費電力化を図ることができる。
また、データ処理部33による読み出し速度、即ち、データの出力レートを、メモリ部32への画素データの転送速度よりも遅くすることで、インターフェース部38のチャネルの削減や、後段の信号処理ブロック(例えば、DSP)の処理速度を低速にすることができる。これにより、後段の信号処理ブロックを含むシステム全体の低消費電力化に寄与することができる。
また、第1チップ20と第2チップ30とを積層チップ接続にし、制御部34による制御の下に、第1チップ20側の回路と第2チップ30側の回路とを同期をとるようにしたことで、AD変化後のデータをメモリ部32にパイプライン転送することができるため、同期設計が容易になる。
また、露光期間中にメモリ部32から画素データを読み出すようにしているため、画素データをメモリ部に保存した後にスタンバイ状態に入り、その後に撮影を開始する構成を採る従来技術に比べて、リアルタイムに動画、静止画の画素データを読み出すことができる。従って、リアルタイムな撮像が可能になる。
また、データラッチ部53とメモリ部32との間にデータ圧縮部56を設け、当該データ圧縮部56でデータ圧縮してからメモリ部32に格納する構成を採った場合には、メモリ部32のメモリ容量を低減できるため、第2チップ30のレイアウト面積の削減を図ることができる。
また、AD変換器51及びそれに伴う回路部分を2系統以上設け、AD変換後のデータをメモリ部32にパイプライン転送することで、ローリング歪をより改善することができるというメリットもある。
<3.第2実施形態に係る固体撮像装置>
続いて、本開示の第2実施形態に係る固体撮像装置について説明する。ここでも、第1実施形態と同様に、第2実施形態に係る固体撮像装置として、CMOSイメージセンサの場合を例に挙げて説明する。但し、CMOSイメージセンサへの適用に限られるものではない。
[3−1.システム構成]
第2実施形態に係る固体撮像装置も、第1実施形態に係る固体撮像装置と同様に、第1チップ20と第2チップ30とが積層された積層構造となっている。そして、第1チップ20側に画素アレイ部(画素部)21が形成され、第2チップ30側にAD変換器51を含む信号処理部31、メモリ部32、データ処理部33、及び、制御部34などの回路部分が形成された構成となっている。
[3−2.回路構成]
図11は、第2実施形態に係る固体撮像装置における第1チップ側の回路の具体的な構成を示す回路図であり、図12は、第2実施形態に係る固体撮像装置における第2チップ側の回路の具体的な構成を示す回路図である。
本実施形態に係る固体撮像装置10Bは、画素アレイ部21の所定数の画素40をグループ(単位)とし、当該グループ毎に各画素40から画素信号を読み出し、この読み出した画素信号を、グループ単位で並列にAD変換を含む信号処理を行う構成を採っている。すなわち、第1実施形態に係る固体撮像装置10Aが、画素信号を画素列の単位で並列にAD変換を行う列並列AD変換方式であるのに対して、第2実施形態に係る固体撮像装置10Bは、所定数の画素のグループ単位で並列にAD変換を行う画素並列AD変換方式となっている。
所定数の画素をグループ(1単位)とするに当たっては、一例として、同じ画素行に属する互いに隣接する複数の画素を1単位としたり、上下左右に隣接する複数の画素を1単位としたりするなどが考えられる。また、複数の画素を1単位としてグループ単位で画素信号を読み出す構成に限られるものではなく、究極的には、画素個々の単位で画素信号を読み出す構成を採ることも可能である。
本実施形態の構成では、第1チップ20側の画素アレイ部21と、第2チップ30側の信号処理部31とを接続するビア(VIA)23がグループ単位または画素単位で必要となる。このチップ間で電気的接続を為すビア23は、周知の配線間接合技術で実現可能である。そして、グループ単位または画素単位で読み出された画素信号は、グループ単位または画素単位で設けられるビア23を通して第1チップ20側から第2チップ30側に伝送されることになる。
(第1チップ側の回路構成)
画素並列AD変換の構成を採っていることから、第1チップ20側には、図11に示すように、画素アレイ部21及び行選択部25の他に、列選択部27が設けられている。列選択部27は、第2チップ30側から与えられるアドレス信号を基に、画素アレイ部21の各画素40を、画素列の配列方向(行方向)においてグループ単位(または、画素単位)で選択する。尚、ここでは、行選択部25及び列選択部27を第1チップ20側に設ける構成を採るとしたが、第2チップ30側に設ける構成を採ることも可能である。
また、単位画素40は、転送トランジスタ42、リセットトランジスタ43、及び、増幅トランジスタ44に加えて、2つの選択トランジスタ45,47を有する構成となっている。2つの選択トランジスタ45,47は、増幅トランジスタ44に対して共に直列に接続されている。一方の選択トランジスタ45は、行選択部25から与えられる行選択信号VSELによって駆動される。他方の選択トランジスタ47は、列選択部27から与えられる列選択信号HSELによって駆動される。
尚、行選択部25及び列選択部27による駆動の下に、グループ単位で選択走査が行われ、グループ内の複数の画素の信号が1つのビア23を通して第2チップ30側に伝送される訳であるから、グループ内の複数の画素からは所定の順番で画素信号が読み出されることになる。そして、第2チップ30側では、所定数の画素のグループ毎に読み出されるアナログ画素信号を、当該グループ内の複数の画素について所定の順番(画素信号の読み出しの順番)で信号処理が行われることになる。
(第2チップ側の回路構成)
単位画素40が所定数を単位としてグループ化され、グループ毎にビア23が設けられているのに対応して、第2チップ30上には、図12に示すように、ビア23につながる信号線26が配線されている。この信号線26には、電流源35が接続されているとともに、AD変換器51、更にはメモリ部32が接続されている。
すなわち、信号線26、電流源35、AD変換器51、及び、メモリ部32などを含む信号処理部31が、所定数の画素を単位とするグループ単位で設けられている。メモリ部32としては、DRAMを例示することができるが、特に限定するものではない。すなわち、第1実施形態の場合と同様に、メモリ部32は、揮発性メモリであってもよいし、不揮発性メモリであってもよい。
先述した列並列AD変換方式を採る第1実施形態に係る固体撮像装置10Aでは、水平期間(XHS)中にAD変換を行い、データ出力するようにしている。より高速なフレームレートでデータを読み出すには、同時にAD変換を行う画素数を増やす必要がある。同時にAD変換を行う画素数を増やすためには、列並列ではなく、画素並列(複数画素の単位)でのAD変換処理が必要になる。
画素並列AD変換で読み出し速度を高速化できれば、その分だけAD変換器51の停止期間を長くとることができるため、より低消費電力化が可能になる。一例として、960[fps]の読み出し速度でセンサ読み出し(画素信号の読み出し)を行い、メモリ部32からのデータ出力を64[fps]の速度で行うことにより、AD変換器51の動作期間を、データ出力期間の1/10以下にすることが可能である。
[3−3.回路動作]
次に、上記の構成の第2実施形態に係る固体撮像装置10Bの回路動作について、図13のタイミングチャートを用いて説明する。
960[fps]の読み出し速度での画素信号の読み出しのために、例えば、画素アレイ部21の各画素40について、250画素程度、例えば、16×16画素を1単位(グループ)とする。AD変換器51でのAD変換時間を4[μsec]とすると、250画素の画素信号を1[msec]以下の時間で読み出し可能となる。但し、ここで例示する数値は一例であって、これらの数値に限定されるものではない。
16×16画素を1単位とする画素ユニット(グループ)は、行選択部25から与えられる行選択信号VSEL及び列選択部27から与えられる列選択信号HSELによるアドレス指定によって選択が行われる。そして、行選択信号VSEL及び列選択信号HSELによって選択された画素ユニット内のある1つの画素から読み出されるアナログ画素信号をAD変換器51でAD変換する。
AD変換の際には、カウンタ512におけるリセットレベルVresetに対するダウンカウント、信号レベルVsigに対するアップカウントによってCDS処理が行われる。このCDS処理後の画素データは、行デコーダ37による行アドレスの指定及び列デコーダ/センスアンプ39の列デコーダによる列アドレスの指定の下、メモリ部32に書き込まれる。
行選択部25及び列選択部27は、画素ユニット(グループ)の単位で選択走査を行う一方、選択した画素ユニット内の複数の画素に対しては、画素ユニットの単位で並列に所定の順番で画素の選択走査を行うことになる。画素ユニット内での画素の選択としては、ラスタースキャン方式による選択を例示することができる。
その後、画素ユニット内の残りの画素について、行選択信号VSEL及び列選択信号HSELにより、ラスタースキャン方式で画素選択とAD変換を行い、CDS処理後の画素データをメモリ部32に格納していく。メモリ部32に格納されたデータについては、列デコーダ/センスアンプ39を通して読み出しを行うことで、低速にデータ出力(読み出し)することが可能になる。
そして、第1実施形態に係る固体撮像装置10Aと同様に、メモリ部32からの画素データの読み出しの際に、電流源35の動作及び信号処理部31の少なくともAD変換器51の動作を停止する制御を行う。ここで、本実施形態に係る固体撮像装置10Bでは、画素並列AD変換方式を採用しているため、画素信号の読み出し速度を高速化できる。これにより、AD変換器51の停止期間を長くとることができるため、より低消費電力化を図ることが可能になる。
[3−4.積層チップのレイアウト]
図14は、第2実施形態に係る固体撮像装置10Bにおける積層チップのレイアウト例を示すレイアウト図である。
図14に示すように、第1チップ20において、画素アレイ部21は、所定数の画素を1単位とする画素ユニット(グループ)が行列状に2次元配列され、画素ユニット毎にビア23が形成された構成となっている。一方、第2チップ30において、信号処理部31は、AD変換器51及びメモリ部32等を含む回路部(図中、画素AD単位)が、画素アレイ部21の画素ユニットに対応して設けられ、画素AD単位毎に画素ユニットに対応してビア23が形成された構成となっている。
尚、図11では、行選択部25及び列選択部27を第1チップ20側に設ける構成を採る場合を例に挙げたが、図14のレイアウト例に示すように、第2チップ30側に周辺回路(HSEL,VSEL)として設ける構成を採ることも可能である。かかる構成を採った方が、第1チップ20のより多くの面積を画素アレイ部21の領域として用いることができるメリットがある。
[3−5.第2実施形態の作用、効果]
以上説明した第2実施形態に係る固体撮像装置10Bによれば、基本的に、第1実施形態に係る固体撮像装置10Aにおける先述した作用、効果に加えて、次のような作用、効果を得ることができる。すなわち、画素並列AD変換方式であることで、画素信号の読み出し速度を高速化できるため、AD変換器51の停止期間を長くとることができる。従って、列並列AD変換方式の第1実施形態に係る固体撮像装置10Aに比べて更なる低消費電力化を図ることができる。
<4.第3実施形態に係る固体撮像装置>
続いて、本開示の第3実施形態に係る固体撮像装置について説明する。ここでも、第1、第2実施形態と同様に、第3実施形態に係る固体撮像装置として、CMOSイメージセンサの場合を例に挙げて説明する。但し、CMOSイメージセンサへの適用に限られるものではない。
[4−1.システム構成]
第3実施形態に係る固体撮像装置も、第1、第2実施形態に係る固体撮像装置と同様に、第1チップ20と第2チップ30とが積層された積層構造となっている。そして、第1チップ20側に画素アレイ部(画素部)21が形成され、第2チップ30側にAD変換器51を含む信号処理部31、メモリ部32、データ処理部33、及び、制御部34などの回路部分が形成された構成となっている。
[4−2.回路構成]
図15は、第3実施形態に係る固体撮像装置における第1チップ側の回路の具体的な構成を示す回路図であり、図16は、第3実施形態に係る固体撮像装置における第2チップ側の回路の具体的な構成を示す回路図である。
本実施形態に係る固体撮像装置10Cも、第2実施形態に係る固体撮像装置10Bと同様に、画素並列AD変換方式を採っている。すなわち、本実施形態に係る固体撮像装置10Cは、画素アレイ部21の所定数の画素40をグループとし、当該グループ毎に各画素40から画素信号を読み出し、この読み出した画素信号を、グループ単位で並列にAD変換を含む信号処理を行う構成となっている。
但し、本実施形態に係る固体撮像装置10Cは、以下の点で第2実施形態に係る固体撮像装置10Bと異なっている。すなわち、第2実施形態に係る固体撮像装置10Bでは、信号処理部31内にAD変換器51と共にメモリ部32を設けた構成、即ち、AD変換器51とメモリ部32とを混載した構成を採っている。これに対して、本実施形態に係る固体撮像装置10Cでは、メモリ部32を信号処理部31外に設けた構成を採っている。
所定数を単位とする単位画素40のグループ化については、第2実施形態の場合と同様であり、一例として、同じ画素行に属する互いに隣接する複数の画素を1単位としたり、上下左右に隣接する複数の画素を1単位としたりするなどが考えられる。また、複数の画素を1単位としてグループ単位で画素信号を読み出す構成に限られるものではなく、究極的には、画素個々の単位で画素信号を読み出す構成を採ることも可能である。
本実施形態の構成でも、第1チップ20側の画素アレイ部21と、第2チップ30側の信号処理部31とを接続するビア(VIA)23がグループ単位または画素単位で必要となる。このチップ間で電気的接続を為すビア23は、周知の配線間接合技術で実現可能である。そして、グループ単位または画素単位で読み出された画素信号は、グループ単位または画素単位で設けられるビア23を通して第1チップ20側から第2チップ30側に伝送されることになる。
(第1チップ側の回路構成)
第1チップ20側の構成については、基本的に、第2実施形態の場合と同様である。すなわち、画素並列AD変換の構成を採っていることから、第1チップ20側には、図15に示すように、画素アレイ部21及び行選択部25の他に、画素アレイ部21の各画素40を行方向においてグループ単位(または、画素単位)で選択する列選択部27が設けられている。尚、行選択部25及び列選択部27については、第2チップ30側に設ける構成を採ることも可能である。
(第2チップ側の回路構成)
単位画素40が所定数を単位としてグループ化され、グループ毎にビア23が設けられているのに対応して、第2チップ30上には、図16に示すように、ビア23につながる信号線26が配線されている。この信号線26には電流源35が接続されている。更に、信号線26毎に、信号処理部31が設けられている。
信号処理部31については、第2実施形態の場合、AD変換器51とメモリ部32とを混載した構成となっているのに対し、本実施形態の場合、メモリ部32を含まない構成となっている。すなわち、本実施形態にあっては、メモリ部32を信号処理部31の外部に設ける構成を採っている。
AD変換器51は、比較器(COMP)511、Nbit(Nは2以上の整数)のカウンタ512、及び、ラッチ部513を有する構成となっている。このAD変換器51において、ラッチ部513は、カウンタ512のNbit分の単位回路(ラッチ回路)から成り、比較器511及びカウンタ512の作用によってAD変換され、カウンタ512のアップ/ダウンのカウント動作によってCDSされた1画素分のデジタルデータ(画素データ)をラッチする。
尚、行デコーダ37としては、信号処理部31内のラッチ部513を選択する行デコーダ371と、メモリ部32の各セルを行単位で選択する行デコーダ372とが設けられている。
[4−3.回路動作]
次に、上記の構成の第3実施形態に係る固体撮像装置10Cの回路動作について説明する。
行選択信号VSEL及び列選択信号HSELによるアドレス指定によって選択された画素ユニット内の1画素について、その画素信号をAD変換器51でAD変換し、カウンタ512のアップ/ダウンのカウント動作によってCDS処理して得たデジタルデータをラッチ部513にラッチする。そして、ラッチ部513にラッチしたデジタルデータを、行デコーダ371から与えられる選択信号RSELによって選択することにより、順次、列デコーダ/センスアンプ39のセンスアンプで読み出す。その後、データラッチ部53を介してメモリ部32に書き込んでいくという動作を複数の画素で同時に行うことで、パイプライン動作を行う。
このようにして、ラスタースキャン方式で画素選択とAD変換の動作を行い、カウンタ512でのCDS処理後のデジタルデータをラッチ部513及び列デコーダ/センスアンプ39のセンスアンプを介してメモリ部32に書き込む動作を行っていく。
尚、1画素単位でAD変換するのではなく、AD変換器51を複数配置し、2画素以上の複数の画素から同時に信号を読み出すようにすることで、読み出し速度を上げることも可能である。
また、ラッチ部513について、単位回路(ラッチ回路)をカウンタ512のNbit分配置するのが困難な場合には、Nbitよりも少ない、数bit単位で単位回路を配置し、当該bit単位に選択信号RSELによる選択後、列デコーダ/センスアンプ39のセンスアンプで読み出して、メモリ部32に書き込んでいくようにしてもよい。これにより、より少ない画素数での画素ユニットを形成でき、読み出し速度の高速化というメリットが得られる。
メモリ部32に格納されたデータについては、データラッチ部53及び列デコーダ/センスアンプ39を通して読み出しを行うことで、低速にデータ出力(読み出し)することが可能になる。
そして、第1、第2施形態に係る固体撮像装置10A,10Bと同様に、メモリ部32からの画素データの読み出しの際に、電流源35の動作及び信号処理部31の少なくともAD変換器51の動作を停止する制御を行う。ここで、本実施形態に係る固体撮像装置10Cでも、第2実施形態に係る固体撮像装置10Bと同様に、画素並列AD変換方式を採用しているため、画素信号の読み出し速度を高速化できる。これにより、AD変換器51の停止期間を長くとることができるため、より低消費電力化を図ることが可能になる。
[4−4.積層チップのレイアウト]
図17は、第3実施形態に係る固体撮像装置10Cにおける積層チップのレイアウトの一例を示すレイアウト図である。
図17に示すように、第1チップ20には、画素アレイ部21が、所定数の画素を1単位とする画素ユニットが行列状に2次元配列され、画素ユニット毎にビア23が形成されている。一方、第2チップ30には、AD変換器51等を含む回路部(図中、画素AD単位)が、画素アレイ部21の画素ユニットに対応して設けられ、画素AD単位毎に画素ユニットに対応してビア23が形成され、更に、メモリ部32が信号処理部31の形成領域外に設けられている。
尚、図15では、行選択部25及び列選択部27を第1チップ20側に設ける構成を採る場合を例に挙げたが、図17のレイアウト例に示すように、第2チップ30側に周辺回路(HSEL,VSEL)として設ける構成を採ることも可能である。かかる構成を採った方が、第1チップ20のより多くの面積を画素アレイ部21の領域として用いることができるメリットがある。
図18は、第3実施形態に係る固体撮像装置10Cにおける積層チップのレイアウトの別の例を示すレイアウト図である。
上記のレイアウト例では、第1チップ20及び第2チップ30の2つのチップが積層された2層の積層構造を採っているのに対し、本レイアウト例では、第1チップ20、第2チップ30、及び、第3のチップ60の3つのチップが積層された3層の積層構造を採っている。但し、3層の積層構造に限られるものではなく、4層以上の積層構造とすることも可能である。
図18に示すように、本レイアウト例は、第1チップ20に画素アレイ部21を配し、第2チップ30にAD変換器51等を含む回路部(図中、画素AD単位)を配し、第3チップ60にメモリ部32を配し、例えば第2チップ30を真ん中にして積層した構造となっている。尚、第1チップ20、第2チップ30、及び、第3のチップ60の積層の順番は任意であるが、制御部35を含む周辺回路が搭載される第2チップ30を真ん中にした方が、制御部35の制御対象となる第1、第3チップ20,60が第2チップ30の直上、直下に位置することになるために好ましい。
本レイアウト例のように、AD変換器51等を含む回路部や、制御部35を含む周辺回路が設けられた第2チップ30とは別のチップ、即ち、第3のチップ60にメモリ部32を設ける構成を採ることで、第2チップ30にメモリ部32を設けるレイアウト例に比べて、チップ面積を縮小できる。この点については、図17と図18との対比からも明らかである。この場合、AD変換器51等を含む回路部などが搭載された第2チップ30と、メモリ部32などが搭載された第3チップ60との間を、ビア(VIA2)で接続する構成が考えられる。このチップ間で電気的接続を為すビア(VIA1/VIA2)は、周知の配線間接合技術で実現可能である。
[4−5.第3実施形態の作用、効果]
以上説明した第3実施形態に係る固体撮像装置10Cによれば、第2実施形態に係る固体撮像装置10Bと同様に、画素並列AD変換方式であることで、画素信号の読み出し速度を高速化できるため、AD変換器51の停止期間を長くとることができる。従って、列並列AD変換方式の第1実施形態に係る固体撮像装置10Aに比べて更なる低消費電力化を図ることができる。
また、本実施形態に係る固体撮像装置10Cでは、第2実施形態に係る固体撮像装置10BのようにAD変換器51とメモリ部32とを信号処理部31内に混載する形態ではなく、メモリ部32を信号処理部31の外部に設ける構成を採っている。これにより、本実施形態に係る固体撮像装置10Cは、DRAMなどのアナログ回路とメモリ部32のウェル分離などが困難な場合にも対応できるものとなる。
<5.他の構成例>
上記の各実施形態では、積層構造の固体撮像装置に適用した場合を例に挙げて説明したが、本開示の技術は、積層構造の固体撮像装置への適用に限られるものではない。すなわち、メモリ部32からの画素データの読み出しの際に、電流源35の動作及び信号処理部31の少なくともAD変換器51の動作を停止する間欠駆動による低速読み出しを行う技術は、画素アレイ部21とその周辺回路とを同一基板(チップ)上に配置して成る、所謂、平置構造の固体撮像装置に対しても適用可能である。
但し、第2、第3実施形態に係る固体撮像装置にあっては、画素並列AD変換方式であることから、積層構造の固体撮像装置の方が、画素アレイ部21の画素ユニットと、信号処理部31の画素AD単位とをビア23を介して直接接続する接続構造を採ることができるため好ましいということができる。
<6.電子機器>
本開示の技術が適用される固体撮像装置は、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置や、携帯電話機などの撮像機能を有する携帯端末装置や、画像読取部に固体撮像装置を用いる複写機などの電子機器全般において、その撮像部(画像取込部)として用いることができる。尚、電子機器に搭載される上記モジュール状の形態、即ち、カメラモジュールを撮像装置とする場合もある。
[撮像装置]
図19は、本開示の電子機器の一例である撮像装置(カメラ装置)の構成例を示すブロック図である。
図19に示すように、本開示の撮像装置100は、レンズ群101などを含む光学系、撮像素子102、カメラ信号処理部であるDSP回路103、フレームメモリ104、表示装置105、記録装置106、操作系107、及び、電源系108等を有している。そして、DSP回路103、フレームメモリ104、表示装置105、記録装置106、操作系107、及び、電源系108がバスライン109を介して相互に接続された構成となっている。
レンズ群101は、被写体からの入射光(像光)を取り込んで撮像素子102の撮像面上に結像する。撮像素子102は、レンズ群101によって撮像面上に結像された入射光の光量を画素単位で電気信号に変換して画素信号として出力する。
表示装置105は、液晶表示装置や有機EL(electro luminescence)表示装置等のパネル型表示装置から成り、撮像素子102で撮像された動画または静止画を表示する。記録装置106は、撮像素子102で撮像された動画または静止画を、メモリカードやビデオテープやDVD(Digital Versatile Disk)等の記録媒体に記録する。
操作系107は、ユーザによる操作の下に、本撮像装置100が持つ様々な機能について操作指令を発する。電源系108は、DSP回路103、フレームメモリ104、表示装置105、記録装置106、及び、操作系107の動作電源となる各種の電源を、これら供給対象に対して適宜供給する。
このような撮像装置100は、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ、更には、携帯電話機等のモバイル機器向けカメラモジュールに適用される。そして、この撮像装置100において、撮像素子102として、画素データの高速読み出しをより低消費電力にて実現な、先述した各実施形態に係る固体撮像装置を用いることができる。これにより、撮像装置100の低消費電力化に大きく寄与できることになる。
<7.本開示の構成>
尚、本開示は以下のような構成を採ることもできる。
[1]画素アレイ部の各画素から信号線に読み出されるアナログ画素信号をデジタル化するAD変換器を含み、デジタル化した画素データをフレームレートよりも速い第1速度で転送する信号処理部と、
信号処理部から転送される画素データを保持するメモリ部と、
メモリ部から第1速度よりも遅い第2速度で画素データを読み出すデータ処理部と、
メモリ部から画素データを読み出す際に、信号線に接続されている電流源の動作及び信号処理部の少なくともAD変換器の動作を停止する制御を行う制御部とを備える固体撮像装置。

[2]制御部は、電流源の動作及びAD変換器の動作を垂直同期信号の単位で停止する上記[1]に記載の固体撮像装置。

[3]信号処理部、メモリ部、データ処理部、及び、制御部は、画素アレイ部が形成されたチップと異なる少なくとも1つのチップに形成され、
画素アレイ部が形成されたチップと他の少なくとも1つのチップとが積層された構造となっている上記[1]又は上記[2]に記載の固体撮像装置。

[3A]画素アレイ部が第1チップに形成され、
信号処理部、メモリ部、データ処理部、及び、制御部が第2チップに形成され、
第1チップと第2チップとが積層された構造となっている上記[3]に記載の固体撮像装置。

[3B]画素アレイ部が第1チップに形成され、
信号処理部及び制御部が第2チップに形成され、
メモリ部及びデータ処理部が第3チップに形成され、
第1チップと第2チップと第3チップとが積層された構造となっている上記[3]に記載の固体撮像装置。

[4]制御部は、画素アレイ部が形成されたチップ側の回路と、他の少なくとも1つのチップ側の回路とを同期をとりつつ制御する上記[3]に記載の固体撮像装置。

[5]信号処理部は、画素アレイ部の各画素から画素行毎に読み出されるアナログ画素信号に対して、画素列の単位で並列に信号処理を行う上記[1]乃至上記[4]のいずれかに記載の固体撮像装置。

[6]信号処理部は、
AD変換器でデジタル化された画素データをラッチするデータラッチ部と、
データラッチ部から出力される画素データをパラレルデータからシリアルデータに変換するパラレル−シリアル変換部とを有し、
AD変換器でデジタル化された画素データをメモリ部にパイプライン転送する上記[5]に記載の固体撮像装置。

[7A]信号処理部は、1水平期間内にAD変換器によるデジタル化処理を行い、デジタル化した画素データを次の1水平期間内にデータラッチ部へ転送する上記[6]に記載の固体撮像装置。

[7B]信号処理部は、1水平期間内にAD変換器によるデジタル化処理を行い、デジタル化した画素データを次の1水平期間内にデータラッチ部及び列デコーダを介してメモリ部へ転送する上記[6]に記載の固体撮像装置。

[8]信号処理部は、
AD変換器でデジタル化された画素データをラッチするデータラッチ部と、
データラッチ部から出力される画素データを圧縮するデータ圧縮部と、
データ圧縮部から出力される画素データをパラレルデータからシリアルデータに変換するパラレル−シリアル変換部とを有し、
AD変換器でデジタル化された画素データをメモリ部にパイプライン転送する上記[5]に記載の固体撮像装置。

[9A]信号処理部は、1水平期間内にAD変換器によるデジタル化処理を行い、デジタル化した画素データを次の1水平期間内にデータラッチ部へ転送する上記[8]に記載の固体撮像装置。

[9B]信号処理部は、1水平期間内にAD変換器によるデジタル化処理を行い、デジタル化した画素データを次の1水平期間内に次の1水平期間内にデータラッチ部及び列デコーダを介してメモリ部へ転送する上記[8]に記載の固体撮像装置。

[10]信号処理部は、AD変換器を2つ以上有し、これら2つ以上のAD変換器において並列的にデジタル化の信号処理を行う上記[5]乃至上記[9]のいずれかに記載の固体撮像装置。

[11]2つ以上のAD変換器は、画素アレイ部の信号線の伸長方向の両側に分けて配置されている上記[10]に記載の固体撮像装置。

[12]信号線に接続されている電流源、信号処理部、及び、メモリ部は、所定数の画素を単位とし、当該単位毎に設けられており、
信号処理部は、画素アレイ部の各画素から所定数の画素の単位毎に読み出されるアナログ画素信号に対して、当該単位で並列に信号処理を行う上記[1]乃至上記[4]のいずれかに記載の固体撮像装置。

[13]信号処理部は、所定数の画素の単位毎に読み出されるアナログ画素信号を、当該単位内の複数の画素について所定の順番で信号処理を行う上記[12]に記載の固体撮像装置。

[14]データ処理部は、メモリ部に対して列アドレスを指定するデコーダと、指定したアドレスの画素データを読み出すセンスアンプとを有し、
センスアンプ及びデコーダを通してメモリ部から画素データを読み出す上記[1]乃至上記[13]のいずれかに記載の固体撮像装置。

[15]データ処理部は、露光期間中にメモリ部から画素データを読み出す上記[1]乃至上記[14]のいずれかに記載の固体撮像装置。

[16]制御部は、信号線に接続されている電流源の動作を停止する際に、信号線と電流源との間の電流パスを遮断する上記[1]乃至上記[15]のいずれかに記載の固体撮像装置。

[17]制御部は、信号線と電流源との間の電流パスを遮断するとき、信号線に固定電位を与える上記[16]に記載の固体撮像装置。

[18] 画素アレイ部が形成されたチップを含む複数のチップが積層されて成り、
画素アレイ部の各画素から信号線に読み出されるアナログ画素信号をデジタル化するAD変換器を含み、デジタル化した画素データをフレームレートよりも速い第1速度で転送する信号処理部、
信号処理部から転送される画素データを保持するメモリ部、
メモリ部から第1速度よりも遅い第2速度で画素データを読み出すデータ処理部、及び、
メモリ部から画素データを読み出す際に、信号線に接続されている電流源の動作及び信号処理部の少なくともAD変換器の動作を停止する制御を行う制御部が、
画素アレイ部が形成されたチップと異なる少なくとも1つのチップに形成されている固体撮像装置。

[18A]第1チップと第2チップとが積層されて成り、
第1チップには、画素アレイ部が形成されており、
第2チップには、信号処理部、メモリ部、データ処理部、及び、制御部が形成されている上記[18]に記載の固体撮像装置。

[18B]第1チップと第2チップと第3チップとが積層されて成り、
第1チップには、画素アレイ部が形成されており、
第2チップには、信号処理部、データ処理部、及び、制御部が形成されており、
第3チップには、メモリ部が形成されている上記[18]に記載の固体撮像装置。

[19]画素アレイ部の各画素から信号線に読み出されるアナログ画素信号をデジタル化するAD変換器を含み、デジタル化した画素データをフレームレートよりも速い第1速度で転送する信号処理部と、
信号処理部から転送される画素データを保持するメモリ部と、
メモリ部から第1速度よりも遅い第2速度で画素データを読み出すデータ処理部とを備える固体撮像装置の駆動に当たって、
メモリ部から画素データを読み出す際に、信号線に接続されている電流源の動作及び信号処理部の少なくともAD変換器の動作を停止する駆動を行う固体撮像装置の駆動方法。

[20]画素アレイ部の各画素から信号線に読み出されるアナログ画素信号をデジタル化するAD変換器を含み、デジタル化した画素データをフレームレートよりも速い第1速度で転送する信号処理部と、
信号処理部から転送される画素データを保持するメモリ部と、
メモリ部から第1速度よりも遅い第2速度で画素データを読み出すデータ処理部と、
メモリ部から画素データを読み出す際に、信号線に接続されている電流源の動作及び信号処理部の少なくともAD変換器の動作を停止する制御を行う制御部とを備える固体撮像装置を有する電子機器。
10A・・・第1実施形態に係る固体撮像装置、10B・・・第2実施形態に係る固体撮像装置、10C・・・第3実施形態に係る固体撮像装置、20・・・第1チップ、21…画素アレイ部(画素部)、221,222・・・パッド部、23(231〜234)・・・ビア(VIA)、25・・・行選択部、26・・・信号線、27・・・列選択部、30・・・第2チップ、31・・・信号処理部、32(321〜322,3213〜3224)・・・メモリ部、33・・・データ処理部、34・・・制御部、35・・・電流源、36・・・デコーダ、37・・・行デコーダ、38・・・インターフェース(IF)部、39・・・列デコーダ/センスアンプ、40・・・単位画素、41・・・フォトダイオード、42・・・転送トランジスタ(転送ゲート)、43・・・リセットトランジスタ、44・・・増幅トランジスタ、45,47・・・選択トランジスタ、46・・・FD部、51(511〜514)・・・AD変換器、52・・・参照電圧生成部、53(53A,53B)・・・データラッチ部、54・・・パラシリ(パラレル−シリアル)変換部、55(55A,55B)・・・マルチプレクサ、56・・・データ圧縮部、60・・・第3チップ

Claims (20)

  1. 画素アレイ部の各画素から信号線に読み出されるアナログ画素信号をデジタル化するAD変換器を含み、デジタル化した画素データをフレームレートよりも速い第1速度で転送する信号処理部と、
    信号処理部から転送される画素データを保持するメモリ部と、
    メモリ部から第1速度よりも遅い第2速度で画素データを読み出すデータ処理部と、
    メモリ部から画素データを読み出す際に、信号線に接続されている電流源の動作及び信号処理部の少なくともAD変換器の動作を停止する制御を行う制御部とを備える固体撮像装置。
  2. 制御部は、電流源の動作及びAD変換器の動作を垂直同期信号の単位で停止する請求項1に記載の固体撮像装置。
  3. 信号処理部、メモリ部、データ処理部、及び、制御部は、画素アレイ部が形成されたチップと異なる少なくとも1つのチップに形成され、
    画素アレイ部が形成されたチップと他の少なくとも1つのチップとが積層された構造となっている請求項1に記載の固体撮像装置。
  4. 制御部は、画素アレイ部が形成されたチップ側の回路と、他の少なくとも1つのチップ側の回路とを同期をとりつつ制御する請求項3に記載の固体撮像装置。
  5. 信号処理部は、画素アレイ部の各画素から画素行毎に読み出されるアナログ画素信号に対して、画素列の単位で並列に信号処理を行う請求項1に記載の固体撮像装置。
  6. 信号処理部は、
    AD変換器でデジタル化された画素データをラッチするデータラッチ部と、
    データラッチ部から出力される画素データをパラレルデータからシリアルデータに変換するパラレル−シリアル変換部とを有し、
    AD変換器でデジタル化された画素データをメモリ部にパイプライン転送する請求項5に記載の固体撮像装置。
  7. 信号処理部は、1水平期間内にAD変換器によるデジタル化処理を行い、デジタル化した画素データを次の1水平期間内にデータラッチ部へ転送する請求項6に記載の固体撮像装置。
  8. 信号処理部は、
    AD変換器でデジタル化された画素データをラッチするデータラッチ部と、
    データラッチ部から出力される画素データを圧縮するデータ圧縮部と、
    データ圧縮部から出力される画素データをパラレルデータからシリアルデータに変換するパラレル−シリアル変換部とを有し、
    AD変換器でデジタル化された画素データをメモリ部にパイプライン転送する請求項5に記載の固体撮像装置。
  9. 信号処理部は、1水平期間内にAD変換器によるデジタル化処理を行い、デジタル化した画素データを次の1水平期間内にデータラッチ部へ転送する請求項8に記載の固体撮像装置。
  10. 信号処理部は、AD変換器を2つ以上有し、これら2つ以上のAD変換器において並列的にデジタル化の信号処理を行う請求項5に記載の固体撮像装置。
  11. 2つ以上のAD変換器は、画素アレイ部の信号線の伸長方向の両側に分けて配置されている請求項10に記載の固体撮像装置。
  12. 信号線に接続されている電流源、信号処理部、及び、メモリ部は、所定数の画素を単位とし、当該単位毎に設けられており、
    信号処理部は、画素アレイ部の各画素から所定数の画素の単位毎に読み出されるアナログ画素信号に対して、当該単位で並列に信号処理を行う請求項1に記載の固体撮像装置。
  13. 信号処理部は、所定数の画素の単位毎に読み出されるアナログ画素信号を、当該単位内の複数の画素について所定の順番で信号処理を行う請求項12に記載の固体撮像装置。
  14. データ処理部は、メモリ部に対して列アドレスを指定するデコーダと、指定したアドレスの画素データを読み出すセンスアンプとを有し、
    センスアンプ及びデコーダを通してメモリ部から画素データを読み出す請求項1に記載の固体撮像装置。
  15. データ処理部は、露光期間中にメモリ部から画素データを読み出す請求項1に記載の固体撮像装置。
  16. 制御部は、信号線に接続されている電流源の動作を停止する際に、信号線と電流源との間の電流パスを遮断する請求項1に記載の固体撮像装置。
  17. 制御部は、信号線と電流源との間の電流パスを遮断するとき、信号線に固定電位を与える請求項16に記載の固体撮像装置。
  18. 画素アレイ部が形成されたチップを含む複数のチップが積層されて成り、
    画素アレイ部の各画素から信号線に読み出されるアナログ画素信号をデジタル化するAD変換器を含み、デジタル化した画素データをフレームレートよりも速い第1速度で転送する信号処理部、
    信号処理部から転送される画素データを保持するメモリ部、
    メモリ部から第1速度よりも遅い第2速度で画素データを読み出すデータ処理部、及び、
    メモリ部から画素データを読み出す際に、信号線に接続されている電流源の動作及び信号処理部の少なくともAD変換器の動作を停止する制御を行う制御部が、
    画素アレイ部が形成されたチップと異なる少なくとも1つのチップに形成されている固体撮像装置。
  19. 画素アレイ部の各画素から信号線に読み出されるアナログ画素信号をデジタル化するAD変換器を含み、デジタル化した画素データをフレームレートよりも速い第1速度で転送する信号処理部と、
    信号処理部から転送される画素データを保持するメモリ部と、
    メモリ部から第1速度よりも遅い第2速度で画素データを読み出すデータ処理部とを備える固体撮像装置の駆動に当たって、
    メモリ部から画素データを読み出す際に、信号線に接続されている電流源の動作及び信号処理部の少なくともAD変換器の動作を停止する駆動を行う固体撮像装置の駆動方法。
  20. 画素アレイ部の各画素から信号線に読み出されるアナログ画素信号をデジタル化するAD変換器を含み、デジタル化した画素データをフレームレートよりも速い第1速度で転送する信号処理部と、
    信号処理部から転送される画素データを保持するメモリ部と、
    メモリ部から第1速度よりも遅い第2速度で画素データを読み出すデータ処理部と、
    メモリ部から画素データを読み出す際に、信号線に接続されている電流源の動作及び信号処理部の少なくともAD変換器の動作を停止する制御を行う制御部とを備える固体撮像装置を有する電子機器。
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